2015 Fiscal Year Annual Research Report
ユビキタス水素の機能とダイナミクスに関する理論的研究
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26248009
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
中井 浩巳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00243056)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安藤 耕司 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (90281641)
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| Project Period (FY) |
2014-06-27 – 2019-03-31
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| Keywords | ユビキタス水素 / プロトン束縛エネルギー / 量子化学計算 / 核・電子軌道理論 / 自由エネルギー / 量子分子動力学法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素は至る所に多様な形態で存在し、物質の性質や生体の機能に重要な寄与を果たしている。本課題では、このような「ユビキタス水素」の機能とダイナミクスを扱う理論的手法を開発し、エネルギー・環境・材料・生命機能に関する研究に取り組む。また、ポジトロンや金属イオンなど「ユビキタスカチオン」も適用対象とする。本年度取り組んだ３つのサブテーマについて、以下に成果を報告する。
(1)アミンを用いたCO2化学吸収法におけるユビキタス水素の機能とダイナミクス：CO2を含有するアミン水溶液について、密度汎関数強束縛(DFTB)法による分子動力学シミュレーションを行った。その結果、吸収過程については、OH-がH2Oの水素結合ネットワークによって溶液中を移動し、重炭酸イオンが生成する機構が明らかになった。一方、放散過程は、プロトン化アミンから重炭酸イオンに直接プロトン移動が起こるイオン対機構によるとわかった。また、反応性を制御する因子として、吸収過程におけるアミンの塩基性、放散過程における反応分子の性質や２分子間の関係性が見出された。
(2)ポジトロン対消滅におけるユビキタスポジトロンの機能とダイナミクス：核・電子軌道法により得られたポジトロン消滅γ線スペクトルの半値幅について、系統的な解析を行った。その結果、同一周期の原子については、原子番号の増加すると原子核からの引力が増加し電子の運動量が増加するため、半値幅は増加すると解釈された。また、同族の原子を比較すると、高周期では原子核の引力が弱まり電子の運動量が低下し、半値幅が低下すると解釈された。
(3)水素吸蔵金属及び合金におけるユビキタス水素の機能とダイナミクス：パラジウムを代表とする水素吸蔵金属は、水素エネルギーの安定利用の観点から重要である。第一原理計算を用いて、PdバルクモデルとPd13クラスターモデルについて水素吸蔵濃度と構造、エネルギーの変化を調べた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、ユビキタスなプロトンやカチオンを対象とする理論的手法を開発し、物質の性質や生体の機能に関連した応用課題に取り組む。前者については、初年度に本課題の核となる手法(NOMO/DC-PP2)を開発しており、プロトン束縛エネルギーの高効率な見積りが可能となった。
応用課題のうち、アミンを用いたCO2化学吸収法については、量子化学計算による温度依存性の再現に成功し、DFTB法に基づく分子動力学シミュレーションにより反応機構の詳細が明らかとなった。後者は、最適なアミンの理論設計するための基礎となる重要な知見である。さらに、分割統治(DC)法を用いた大規模な系のシミュレーションにも着手している。すでに水中のプロトン移動については、単位格子あたりの分子数の増加により拡散係数の実験値を精度よく再現されることを確認した。
ポジトロン対消滅の課題については、NOMO法により消滅γ線スペクトルの計算精度が向上し、原子のスペクトル半値幅に関して新たな理論的解釈に成功した。水素吸蔵については、原子核を波束として扱うダイナミクスの実行を計画しており、そのためのポテンシャルを量子化学計算を用いて作成中である。生体エネルギー変換については、今後、量子分子動力学法の開発を進めることで進展が期待される。
以上より、本研究は全体としておおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続きユビキタスなプロトンやカチオンに関連した理論的手法の開発と応用課題に取り組む。理論的手法の開発については、初年度に開発したNOMO/DC-PP2法で考慮されない電子相関の取り込みを検討する。また、Li+, Na+, Mg2+などの他のカチオン種にも適用できるように改良を行う。並行してDFTB法に基づく量子分子動力学法の開発を行い、応用課題の対象となる系のダイナミクスを扱えるようにする。
アミンを用いたCO2化学吸収法については、DC-DFTB法による分子動力学シミュレーションを混合溶液に対して実行する。これにより、異なるアミンの種類や混合比に対する吸収・放散の変化を明らかにし、最適なアミンの理論設計への知見を得ることを目指す。ポジトロン対消滅については、分子に対する消滅γ線スペクトル半値幅の解釈を確立するとともに、これまで対象とした気相中の原子・分子以外に対する計算を検討する。水素吸蔵金属については、Pdクラスターに対してポテンシャルを作成し波束ダイナミクスを実行する。生体エネルギー変換に対しては、先述した量子分子動力学法の開発を進めると同時に、DC-DFTB法によるシミュレーションも検討する。
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